安科瑞 周菁

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰

摘要

    介紹一種船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)，闡述監(jiān)控主機(jī)、控制模塊、報警模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的功能。該系統(tǒng)通過RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)，采用分散控制、集中管理的模塊化設(shè)計思想，能夠就地及遠(yuǎn)程控制水密門的狀態(tài)、自動監(jiān)測系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，并對系統(tǒng)故障進(jìn)行實時顯示、蜂鳴器報警、記錄等功能。提高船舶自動化水平，確保船舶在航行中的安全性。

關(guān)鍵詞：船用水密門；監(jiān)控系統(tǒng)；RS485總線

引言

船舶自動化設(shè)備是為船舶配套的核心裝備之一，包括機(jī)艙自動化、航行自動化、船岸信息一體化、閥門遙控等子系統(tǒng)，其中水密門監(jiān)控系統(tǒng)推動了船舶自動的進(jìn)程和“智能型”船舶的實現(xiàn)^[1-2]，該系統(tǒng)用于確保船舶在行駛過程中的安全性，其主要負(fù)責(zé)監(jiān)測船艙內(nèi)與水密門相關(guān)的動力設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，可以自動監(jiān)測設(shè)備在運行中發(fā)生的故障，并記錄保存故障信息，發(fā)出聲光報警信息^[3-4]。本文介紹了一種基于RS485總線的水密門監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以與船載航行數(shù)據(jù)記錄儀連接，記錄水密門在船舶航行過程中狀態(tài)信息，且具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、方便擴(kuò)展、易于維護(hù)等特點。

1 船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)充分考慮水密門系統(tǒng)的自身的特性，主要從系統(tǒng)安全可靠出發(fā)，兼容系統(tǒng)的操作性、維護(hù)性、可擴(kuò)展性，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要由以下4個部分組成：監(jiān)控主機(jī)（TPC7062K）、控制模塊（AWD16-C）、報警模塊（AWD16-A）、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（AWD16-V），所有模塊通過RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)（如圖1所示）。

圖1  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊安裝在船舶駕駛室中控操作臺內(nèi)，控制模塊與報警模塊布署在船艙內(nèi)水密門現(xiàn)場?？刂颇K和報警模塊通過RS485接口與監(jiān)控主機(jī)連接，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通過RS232接口與監(jiān)控主機(jī)連接、通過RS485接口與船舶航行記錄儀連接，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。每個系統(tǒng)由一個監(jiān)控主機(jī)、一個協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、若干個控制模塊、若干個報警模塊組成，其中每扇水密門配置一個控制模塊與一個報警模塊。

1.2 系統(tǒng)工作原理及流程

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控主機(jī)通過RS485總線周期性讀取控制模塊與報警模塊的狀態(tài)信息，實時的顯示水密門的狀態(tài)，記錄開關(guān)門及系統(tǒng)的報警信息，并負(fù)責(zé)向協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議報文；當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊接收到監(jiān)控主機(jī)發(fā)送來的報文時，將其轉(zhuǎn)換為VDR報文，然后發(fā)送至航行記錄儀中；監(jiān)控主機(jī)也可控制現(xiàn)場的控制模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)門動作。

控制模塊及報警模塊的輸入端與現(xiàn)場的信號線連接，實時的采集現(xiàn)場的狀態(tài)信息并判斷，做出相應(yīng)的動作及報警指示。

1.2.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為：用C語言編寫控制模塊、報警模塊以及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；用腳本語言編寫監(jiān)控主機(jī)。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通電后，首行初始化，完成初始化后，監(jiān)控主機(jī)向控制模塊、報警模塊發(fā)送報文，以完成對系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、記錄及傳送，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送查詢報文，判斷是否需要發(fā)送VDR報文。若系統(tǒng)*，則正常運行，否則，進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)指示報警?？刂颇K、報警模塊正常工作過程為：首先，采集控制模塊及報警模塊共16路的信號輸入，然后對其進(jìn)行邏輯預(yù)算以及關(guān)系判斷，若不滿足報警條件，則繼續(xù)采集信號，進(jìn)行邏輯運算；若滿足報警條件，相應(yīng)的繼電器輸出報警，對應(yīng)的LED指示燈則閃爍、點亮或熄滅。報警產(chǎn)生后，可人為消音或在規(guī)定的時間內(nèi)自動消音；協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的正常工作過程為：給監(jiān)控主機(jī)發(fā)送查詢報文，若回送的報文中有報警及開關(guān)門動作信息時，則將讀取到的Modbus協(xié)議報文轉(zhuǎn)化為VDR報文格式傳送給航行記錄儀。

圖2  系統(tǒng)工作流程圖

2 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)是水密門監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，顯示器分辨率為800*480、65535色數(shù)字真彩、177.8mm（7in）寬屏顯示，觸摸控制、具有良好的人機(jī)界面，操作簡單，其中人機(jī)界面主頁如圖3所示。該模塊主要具有控制水密門閉合、顯示水密門當(dāng)前狀態(tài)，顯示、記錄、查詢系統(tǒng)報警信息，蜂鳴器報警等功能。其中，報警信息主要包括電源故障、油機(jī)電機(jī)過載、油壓低、油位低、限位開關(guān)故障、控制模塊故障等。

此外，監(jiān)控主機(jī)還可以將采集到的開關(guān)門及報警信息通過RS232總線傳給協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊終傳至船舶VDR系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)具有的屏幕保護(hù)功能，較好的滿足船舶在夜間航行的要求；中英文顯示界面自由切換，擴(kuò)展了其應(yīng)用市場。

圖3  人機(jī)界面主頁

       圖3注：①：水密門狀態(tài)指示燈；②：單獨關(guān)門按鈕； ③：水密門三種控制方式（遠(yuǎn)程總關(guān)、本地控制、單獨關(guān)）按鈕；④：蜂鳴器測試按鈕、報警消音按鈕、報警記錄按鈕，其中點擊報警記錄按鈕后進(jìn)入報警記錄界面；⑤：系統(tǒng)新一條報警信息；⑥：警告語。

3 控制模塊與報警模塊

      控制模塊與報警模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場水密門各種動作控制及系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集，其供電電源為+24VDC，采用RS485通訊，具有6路無源干接點、2路模擬量輸入（可做開關(guān)量使用），8路繼電器干觸點輸出、觸點額定負(fù)載，／250VAC／30VDC，節(jié)點輸入常開/常閉類型可設(shè)、輸入抖動時間及輸出延時時間均可設(shè)。

控制模塊的輸入節(jié)點，連接水密門開門按鈕、關(guān)門按鈕、停門按鈕、開關(guān)門限位開關(guān)、油泵壓力模擬量輸入等；輸出繼電器，連接開關(guān)門液壓電磁閥、開關(guān)閃光指示燈及報警響鈴、控制模塊故障輸出等。報警模塊的輸入節(jié)點，連接試驗按鈕、消音按鈕以及電源故障、油機(jī)電機(jī)過載、油壓低、油位低、限位開關(guān)故障、控制模塊故障等輸入報警點。輸出繼電器，連接報警指示燈及報警蜂鳴器。

將傳統(tǒng)的水密門現(xiàn)場控制器改為獨立控制模塊與報警模塊提高了系統(tǒng)魯棒性，且模塊采用公司32位處理器作為主控芯片，加入軟硬件“看門狗”技術(shù)，防止死機(jī)現(xiàn)象，大化的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，且通過公司內(nèi)部測試及客戶現(xiàn)場使用情況證明，該系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的效果，其原理框圖如圖4所示。

圖4  控制模塊與報警模塊原理框圖

4協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

4.1 模塊功能

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)通過RS232總線，接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的Modbus-RTU協(xié)議報文，模塊內(nèi)部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再通過RS485總線，將轉(zhuǎn)換的VDR協(xié)議報文，終傳送至船行記錄儀，其原理框圖如圖5所示。

Voyage Data Recorder (VDR)是一種記錄船舶在運行過程中各種數(shù)據(jù)信息以及突發(fā)事件的設(shè)備，其設(shè)計初的目的與用途是為了方便海事事故的查詢^[5]，系統(tǒng)的VDR報文滿足IEC61162-1-2010標(biāo)準(zhǔn)。

圖5   協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊原理圖

4.2  Modbus-RTU與VDR協(xié)議

Modbus是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。目前，可以通過以太網(wǎng)的TCP/IP以及各種介質(zhì)（有限：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A、光纖、無線等等）上的異步串行傳輸兩種方式實現(xiàn)Modbus通信，其主要傳輸模式有：RTU、ASCII^[6]。本系統(tǒng)主要用Modbus-RTU，03功能碼，具體報文格式舉例如表1所示。

表1  Modbus-RTU報文格式

      IEC61162-1-2010 文檔中明確的對船載自動導(dǎo)航設(shè)備（AIS）信息采集和處理進(jìn)行了規(guī)范化的闡述，本文使用的VDR通訊協(xié)議數(shù)據(jù)格式如圖6所示^[7] 

圖6   VDR通訊協(xié)議數(shù)據(jù)格式

5 結(jié)束語

本文介紹了一種船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)具有獨立的控制模塊和報警模塊，其優(yōu)點是可靠性高，實施簡單、維護(hù)方便；具有根據(jù)不同船型靈活配置，完善的報警顯示、故障診斷、故障記錄等功能，可以取代傳統(tǒng)工控機(jī)與PLC構(gòu)建的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)較好的推動了船舶自動化系統(tǒng)的發(fā)展，并在國內(nèi)外實船上得到了較好的應(yīng)用，從而保障了船舶的航行安全。

文章來源：《船舶》2016年1期。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬善偉, 臧軍,劉赟. 船舶自動化系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究[J].上海造船,2011 (l):68-71.

[2] 馬馳譽(yù). 船舶機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

[3] 楊建勛. 船舶水密門單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院報,2011(3):23-24.

[4] 王榮,黃睿,劉冬等. 工程船液壓滑動水密門控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].廣東造船,2011 (2):56-57.

[5] 何曉東. VDR在海上移動式平臺中的應(yīng)用研究與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[6] GB/ 19582.1-2004， 基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范 [S]. 北京: 歐陽勁松, 孫昕, 劉鐵椎等,2004: 4 -13

[7] IEC61162-1-2010，Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems. [S]. Geneva: 2010:23-36.